Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY RỐI TRONG BỘ TÁCH DẦU/KHÍ GLCC
STUDY ON TURBULENT FLOW IN OIL/GAS GCLCC SEPARATOR
TS. Lê Văn Sỹ
TT Bồi dưỡng nâng cao, ĐH Dầu khí Việt Nam (PVU), Tp. Bà Rịa

TÓM TẮT
Trong giai đoạn hiện nay của ngành dầu khí Việt Nam, việc tìm các mỏ có sản lượng
lớn trong vùng nước nông ngày càng khó khăn. Các hoạt động khai thác tìm kiếm đang mở
rộng ra vùng nước sâu và xa bờ hơn mà đòi hỏi công nghệ chuyên sâu và chi phí tốn kém. Do
đó, việc nghiên cứu các thiết bị có kích thước nhỏ và linh động sẽ mang lại hiệu quả kinh tế
rất lớn phù hợp với sản lượng mỏ trung bình và nhỏ, khai thác vùng nước sâu và xa bờ. Một
trong các thiết bị đang được nghiên cứu trên thế giới là bộ tách lốc xoáy hình trụ GLCC có ưu
điểm là rất nhỏ gọn, khả năng tách đa pha, dễ chế tạo và sản xuất hàng loạt với chi phí rất
thấp. Trên thế giới, một số nhóm nghiên cứu đã thực hiện nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm
để đưa vào ứng dụng trong thực tế công nghiệp. Khó khăn lớn nhất đối với thiết bị này là đặc
trưng dòng chảy rất phức tạp. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết đã được thực hiện
để dự đoán đặc điểm dòng chảy rối trong lòng GLCC. Trường vận tốc được phân thành 3
thành phần theo phương tiếp tuyến, dọc trục và hướng kính. Thành phần vận tốc tiếp tuyến và
dọc trục có thể đo được bằng thiết bị đo LDV. Tuy nhiên, thành phần vận tốc hướng kính
chưa đo được bằng thiết bị đo hiện có. Trong nghiên cứu này sẽ trình bày cách xác định phân
bố của thành phần vận tốc hướng kính bằng việc kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng
CFD. Đặc trưng của dòng chảy rối tương ứng với các vận tốc đầu vào và độ nhớt động học
khác nhau sẽ được nghiên cứu. Hai thành phần vận tốc tiếp tuyến và dọc trục sẽ được so sánh
với kết quả thực nghiệm để xác định độ chính xác của mô hình mô phỏng. Sau đó, thành phần
vận tốc hướng kính sẽ được rút ra từ mô hình mô phỏng.
Từ khóa: kỹ thuật tách dầu khí, dòng chảy rối, CFD, trường vận tốc, GLCC, mô phỏng số.
ABSTRACT
In recent time, Vietnam petroleum industry has been facing a challenge in exploring the
oil and gas reservoir with high reservation. The exploration and production activities of

PetroVietnam have expanded to deep-water and offshore area. This task requires the high cost
and specific offshore facilities. Thus, researching on optimal equipment with small size and
flexibility is an important task which will bring economic effect on the oil and gas exploration
and production of deep-water reservoir with small and medium reservation. Gas/Liquid
cylindrical cyclone separator (GLCC), a compact and flexible multi-phase separator, has been
attracted the interest of scientist community and industry in the world. There are many
researches and practical manufacturing of this GLCC for industrial applications. The
researching teams in the world have been facing to the difficulties to understand deeply the
complex flow behavior of GLCC. Both theoretical and practical researches were performed
on predicting the turbulent flow behavior through velocity field with three components such
as tangential, axial, and radial velocity. The tangential and axial velocity can be measured by
using LDV, however, the remain component has not measured in the past. This paper presents
the method to measure the radial velocity by using CFD analysis and practical experiments.
The turbulent flow behavior with respect to different inlet velocity and dynamic viscosity will
be concerned in this research. The tangential and axial velocity will be compared with
practical results to evaluate the accuracy of simulated model. Then, the radial velocity is
extracted from a simulated model with high agreement.
Keywords: oil/gas separator, swirl flow, CFD, velocity field, numerical simulation
545


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
1. GIỚI THIỆU
Trong lĩnh vực khai thác dầu khí công đoạn tách riêng các pha để tiện lợi trong quá
trình thu gom và vận chuyển là một nhiệm vụ quan trọng. Dầu khai thác lên thường không tồn
tại ở một pha duy nhất mà nó là hỗn hợp của các chất rắn, lỏng và khí. Thông thường, công
đoạn tách pha thường dùng các bồn tách nằm ngang hoặc đứng với kích thước rất lớn và hoạt
động dựa trên phương pháp lắng đọng do sự khác biệt tỷ trọng của các pha. Các thiết bị này
thường có kích thước lớn, giá thành chế tạo cao và chiếm diện tích bố trí lớn. Trong giai đoạn
khai thác tại Việt Nam hiện nay, trữ lượng các mỏ tìm thấy chỉ ở mức nhỏ và trung bình nằm

xa ngoài khơi. Chi phí đầu tư cho các mỏ này đang được tính toán và tiết giảm rất lớn để phù
hợp với tình hình giá dầu thế giới xuống thấp ở mức kỷ lục.

Hình 1. Thiết bị tách GLCC
Thiết bị tách (Gas-Liquid Cylindrical Cyclone - GLCC) được nhóm nghiên cứu thuộc
đại học Tulsa (Hoa Kỳ) đề xuất có tính năng nhỏ gọn, đơn giản, hiệu suất tách cao và giá
thành chế tạo rất nhỏ (Hình 1). Thiết bị này đang được nghiên cứu và hoàn thiện để tối ưu
hiệu suất tách pha. Thiết bị là một kết cấu trụ đứng, hoạt động dựa trên nguyên lý lốc xoáy và
lực ly tâm để tách các pha với tỷ trọng khác nhau. Nó gần giống với thiết bị xi-lô Stairman sử
dụng trong công nghiệp thực phẩm, vật liệu, dược, vv. Thiết bị bao gồm một ống trụ rỗng,
phần trên gắn với cửa thoát khí, phần dưới gắn với cửa thoát chất lỏng/rắn. Tuy nhiên, cửa
vào đa pha của thiết bị này tiếp tuyến với thân chính và nghiêng một góc 27 độ theo phương
ngang để tăng gia tốc tiếp tuyến, tránh va đập của chất lỏng vào thành bình tách và thoát ra
theo cửa thoát khí. Do đầu vào tiếp tuyến với thân GLCC làm cho dòng chảy xoáy với vận tốc
tiếp tuyến đủ để tạo ra lực hướng tâm cuốn chất khí vào bên trong (do cường độ lực hướng
tâm của chất khí cao hơn so với trọng lượng của nó), đi lên và thoát ra theo cửa thoát khí. Sự
kết hợp của trọng lực và lực ly tâm đẩy chất lỏng tỏa tròn theo thành GLCC và đi xuống về
phía lối ra chất lỏng. Kết cấu của GLCC rất đơn giản, dễ chế tạo và giá thành chế tạo thấp nên
khả năng ứng dụng nó tại Việt Nam trong giai đoạn hiện nay là rất khả thi. Trái với kết cấu
đơn giản, động học dòng chảy và các hiện tượng phát sinh trong quá trình vận hành là rất
phức tạp. Việc tính toán phân tích và hiểu rõ bản chất dòng chảy trong GLCC còn hạn chế
mặc dù có rất nhiều nghiên cứu trước đây. Tại thời điểm hiện tại, chưa có một mô hình tính
toán đặc trưng dòng chảy bên trong GLCC. Đặc tính trưng dòng chảy và các thành phần vận
tốc dòng chảy GLCC (vận tốc tiếp tuyến, dọc trục) đã được đo bằng thực nghiệm. Tuy nhiên,
xác định thành phần vận tốc hướng kính, dòng chảy rối vẫn chưa được xác định.
Việc kết hợp giữa mô phỏng CFD và thực nghiệm là một trong các phương pháp hữu
hiệu để hiểu rõ bản chất dòng chảy và dự đoán chính xác các hiện tượng động học dòng chảy
trong GLCC. Phương pháp này cũng được các nhóm nghiên cứu của đại học Tulsa sử dụng
để tìm hiểu về ảnh hưởng hình dáng hình học của cửa vào [5],và ứng xử động học dòng chảy
[1,2,8,9]. Tuy nhiên, việc hạn chế về tài nguyên máy tính, sự phức tạp của mô hình dòng chảy

546


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
và việc chọn điều kiện biên lý tưởng đã làm giảm độ chính xác đáng kể khi dự đoán dòng
chảy của nó [6,10]. Trong nghiên cứu này, bắt đầu bằng việc tổng quan đặc trưng dòng chảy
rối trong ống thẳng mà làm cơ sở để nghiên cứu dòng chảy trong GLCC. Sau đó, lựa chọn mô
hình dòng chảy rối mà dự đoán tốt nhất đặc trưng dòng chảy của GLCC. Việc này không đơn
giản bởi vì đặc trưng dòng chảy của GLCC rất phức tạp và ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố mà có
thể chưa nhận biết được. Đặc trưng vận tốc của mô hình mô phỏng sẽ được so sánh với thực
nghiệm để kiểm chứng lại mô hình chảy rối đã lựa chọn. Mô hình có đặc trưng thành phần
vận tốc phù hợp nhất với thực nghiệm sẽ được chọn để rút trích thành phần vận tốc hướng
kính. Các thành phần vận tốc của GLCC sẽ được nghiên cứu và phân tích để làm cơ sở cho
các nghiên cứu tiếp theo.
2. ĐẶC TRƯNG DÒNG CHẢY RỐI VÀ MÔ HÌNH CHẢY RỐI
2.1. Đặc trưng dòng chảy
Để có thể chọn lựa được mô hình chảy rối sử dụng trong mô phỏng CFD thì việc quan
trọng là xác định được đặc trưng dòng chảy trong GLCC. Đặc trưng dòng chảy của GLCC
tương đối phức tạp và thay đổi nhiều theo điều kiện đầu vào. Nghiên cứu về đặc trưng dòng
chảy rối trong GLCC chưa được thực hiện, chủ yếu là những quan sát thực nghiệm. Tuy
nhiên, chúng ta có thể tìm thấy đặc trưng dòng chảy rối gần tương tự trong các thiết bị tách, xi
lô và các ứng dụng công nghiệp tương tự. Đối với dòng chảy rối trong các thiết bị này được
kết luận là sinh ra do kết hợp của vận tốc tiếp tuyến và vận tốc dọc trục tạo ra một dải cuộn
xoáy trong dòng chảy. Đặc trưng của dòng chảy rối không chỉ phụ thuộc vào số Reynold và
cường độ rối mà còn phụ thuộc vào phương cách tạo ra dòng chảy rối. Theo các nghiên cứu
trước đây, dòng chảy rối có thể được phân theo ba nhóm chính: i) do dòng chảy tiếp tuyến;
ii) dòng chảy qua mặt cắt định hình; iii) dòng xoay đi ngang qua dòng đang chảy. Đối với
dòng chảy trong GLCC đã được quan sát và đo đạc từ thực nghiệm có những đặc trưng nhất
định. Nó tùy thuộc vào vận tốc đầu vào, vị trí đo, trạng thái thí nghiệm. Dòng chảy rối trong
GLCC được tạo từ việc nghiên cửa vào một góc 27 để tạo ra dòng chảy có phương tiếp tuyến

với thành ống trụ thẳng và tạo ra dòng chảy xoáy cuộn trong lòng GLCC. Erdal [6] đã thực
hiện việc đo hai thành phần vận tốc của dòng chảy một pha trong GLCC, kết quả như trình
12.5"
bày trong Hình 2.
12.

4

D (mm)

3.5

-1

3
2.5

-0.5
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

72 GPM
30 GPM
10 GPM

2
1.5

5

10 15 20 25 30 35 40 45


0

1

0.5

0.5

1

0
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
-0.5 0

5

10

15

20

25

30

35

40


45

1.5

-1
-1.5

2

-2

2.5

-2.5

3

-3.5

U/Uav

W/Uav

-3
-4
-4.5

a)


D (mm)

72 GPM
30 GPM
10 GPM

b)

3.5
4

Hình 2. Phân bố vận tốc a) tiếp tuyến; b) vận tốc dọc trục từ thí nghiệm [6]
Vận tốc tiếp tuyến của dòng chảy trong GLCC cho thấy không có tính đối xứng trục và
có các miền riêng biệt phân bố theo bán kính (Hình 3a). Miền dầu tiên là vùng cuộn xoáy có
đặc trưng phân bố vận tốc giảm ở vùng tâm và tăng dần theo hướng tường GLCC. Phân bố
này sẽ giảm dần theo chiều cao của GLCC để tạo thành một lõi cuộn xoắn. Vùng thứ 2 là
vùng chuyển tiếp giữa vùng cuộn xoắn và vùng ổn định, độ lớn của vùng này có sự tham gia
của lực ly tâm. Vùng tiếp giáp tường GLCC có biên dạng giảm dần và bằng zero tại tường.
Biên dạng vận tốc tiếp tuyến tìm từ thí nghiệm đo thực tế cho thấy có sự bất đối xứng trục.
547


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

a)

b)
Hình 3. Đặc trưng phân bố: a) vận tốc tiếp tuyến; b) vận tốc dọc trục [5]

Vận tốc dọc trục có nhiều dạng phân bố khác nhau tùy vào đặc điểm dòng chảy và

cường độ xoáy khác nhau (Hình 3b). Dạng đầu tiên tương ứng với miền chảy có độ xoáy nhỏ.
Dạng thứ hai là tương ứng với miền chảy có cường độ xoáy lớn. Với cường độ xoáy lớn thì sẽ
xuất hiện dòng chảy ngược ở vùng tâm của GLCC. Dạng thứ ba hiếm xuất hiện ở GLCC có
một cửa vào, nó thường xuất hiện ở GLCC với hai cửa vào. Biên dạng vận tốc bị đảo hai lần,
dòng chảy thuận xảy ra ở tâm và biên tường trong khi dòng chảy ngược xuất hiện ở vùng
trung gian.
Thí nghiệm của Erdal chỉ xác định được hai thành phần vận tốc (vận tốc tiếp tuyến và
dọc trục), còn thành phần vận tốc hướng kính chưa được đề cập đến [6]. Đối với nghiên cứu
đặc trưng vận tốc trong xilo Stairman, các tác giả có kết luận độ lớn của vận tốc hướng kính
nhỏ hơn rất nhiều so với hai thành phần còn lại [1,2]. Nó thường không được đo trong các thí
nghiệm thực tiễn. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và đánh giá thành phần vận tốc hướng kính cần
được làm rõ đối với GLCC để có thể giải thích sự khác biệt đặc trưng dòng chảy. Trong
nghiên cứu này sẽ trình bày cách thu giá trị của vận tốc hướng kính một cách tin cậy từ mô
hình mô phỏng CFD của GLCC nếu hai thành phần còn lại có sai số nhỏ so với thực nghiệm.
2.2. Mô hình dòng chảy rối
Những phân tích đặc trưng dòng chảy trong GLCC bên trên sẽ là cơ sở để chọn lựa mô
hình dòng chảy rối sẽ áp dụng cho việc mô phỏng CFD. Theo thống kê, mô phỏng động học
xilo Stairman được thực hiện rất nhiều và cho kết quả tưởng đối chính xác với các mô hình
dòng chảy tích hợp sẵn trong Fluent như - và RNG -. Tuy nhiên, mô phỏng động học
GLCC còn nhiều hạn chế và có nhiều thách thức đối với các nhóm nghiên cứu do sự phức tạp
của dòng chảy, đặc tính 3D khí động học dòng chảy. Đặc trưng dòng chảy trong GLCC là bất
đẳng hướng, cường độ rối tùy thuộc vào vận tốc đầu vào của dòng chảy và các thành phần độ
nhớt dòng chảy rối có thể âm do việc biến đổi động lượng là trái dấu với gradient của động
lượng [10]. Cho nên việc lựa chọn mô hình chảy rối áp dụng cho mô phỏng cũng cần xem xét
đến vận tốc dòng chảy đang sử dụng.
Erdal [6] thực hiện mô phỏng trạng thái ổn định dòng chảy GLCC với Reynold lớn, sử
dụng mô hình tiêu chuẩn - và mô hình RSM (Reynold Stress Model). Kết quả cho thấy mô
hình - cho kết quả dự đoán dòng chảy rối so với thực nghiệm tốt hơn so với mô hình RSM.
Kết quả này rất khác so với các nghiên cứu trước đó về mô hình sử dụng trong mô phỏng xilo
Stairman. Gupta [10] sử dụng mô hình RNG - để mô phỏng khí động học dòng chảy của

GLCC và so sánh với dữ liệu đo từ PVT. Kết quả cho thấy kết quả mô phỏng được cải thiện
đáng kể so với mô hình tiêu chuẩn -. Đối với mô phỏng CFD xilo, các tác giả đã thực hiện
với các mô hình RNG -, RANS, LES, RSM. Các tác giả cho rằng mô hình - và RNG -
chỉ phù hợp với dòng chảy có cường độ chảy rối nhỏ và chúng không dự đoán chính xác dòng
chảy rối xảy ra trong xilo. Các tác giả sử dụng mô hình RANS và LES đều cho kết quả dự
đoán dòng chảy rối và đặc trưng dòng chảy gần tường tương đối chính xác. Tuy nhiên, khả
năng hội tụ kết quả của các mô hình này tương đối khó và thời gian tính toán rất lớn.

548


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng hai mô hình dòng chảy rối RNG - và RSM để
nghiên cứu đặc tính dòng chảy rối trong GLCC. Mô hình có khả năng dự đoán các thành phần
vận tốc phù hợp với thực nghiệm sẽ được chọn để rút trích các thành phần vận tốc.
3. MÔ PHỎNG CFD VÀ KẾT QUẢ
3.1. Mô hình thí nghiệm và mô phỏng
Trong nghiên cứu này, mô phỏng 3D GLCC được thực hiện với mô hình chảy rối RSM
và RNG -. Mô hình GLCC được mô hình hóa cùng thông số kích thước với mô hình thí
nghiệm của Erdal [5] (Hình 4). Trong thí nghiệm thực tiễn, Erdal sử dụng GLCC có ống dẫn
đầu vào nghiêng 27o đường kính miệng vào 32mm, đường kính thân GLCC là 89cm, ống thoát
có đường kính 51mm. Khoảng cách từ tâm ống thoát đến tâm miệng vào tiếp tuyến với thân
GLCC là 1463mm, phần nhô của thân GLCC trên miệng vào khoảng 152mm (Hình 5b). Chất
lỏng sử dụng trong thí nghiệm là nước và hỗn hợp nước-glycerin có độ nhớt là 7.10-3 Pa.s (khối
lượng riêng 1093kg/m3). Trong quá trình thí nghiệm, van thoát khí luôn mở để đảm bảo chất
lỏng được điền đầy trong lòng GLCC trước khi thí nghiệm. Để đo hai thành phần vận tốc tiếp
tuyến và vận tốc dọc trục, tác giả sử dụng đầu đo laser LDV (Laser Doppler Velocimeter) [5].
Mô hình được chia thành nhiều phần khác nhau để có thể tạo lưới dạng Hexa (Hình 5a).
Vùng tiếp nối giữa cửa vào và thân GLCC được tạo lưới dạng tetra vì dạng hình học phức tạp.
Phần tiếp giáp tường được chia thành 6 lớp để nghiên cứu ảnh hưởng động học dòng chảy tiếp

giáp tường và sử dụng điều kiện biên không trượt trong vùng này.
Chất lỏng trong GLCC được xem là dạng không nén được và đẳng nhiệt. Điều kiện biên
ở cửa vào là dạng lưu lượng dòng chảy, giá trị này tương tự với thí nghiệm của Erdal. Giá trị
lưu lượng Q lần lượt là 0,00063m3/s và 0,00454m3/s đối với nước, và 0,00068m3/s và
0,00339m3/s đối với hỗn hợp nước-glycerin. Điều kiện biên ở cửa thoát khí và thoát chất lỏng
là áp suất khí trời.

Hình 4. Mô hình thí nghiệm và sơ đồ dòng chảy [6]
Mô phỏng sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để rời rạc hóa các phương trình vi
phân từng phần. Thuật toán áp suất – vận tốc đồng thời được chọn trong quá trình mô phỏng
với lựa chọn SIMPLE. Thuật toán nội suy ngược bậc hai sử dụng để tìm các biến trên bề mặt
của thể tích đang xét.

549


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

a)

b)
Hình 5. a) Mô hình chia lưới; b) Vị trí lấy kết quả mô phỏng

Trong thí nghiệm thực tế, nước được trộn với glycerin với tỷ lệ lên đến 96% để có được
độ nhớt từ 1cP đến 7cP. Có hai giá trị vận tốc dòng chảy đối với mỗi dung dịch nhằm tạo ra
các dạng dòng chảy khác nhau trong GLCC. Đối với thí nghiệm với nước ở lưu lượng lần lượt
là 0,00063m3/s và 0,00454m3/s thì số Re là 9285 và 66.855. Đối với hỗn hợp nước – glycerin
có lưu lượng 0,00068m3/s và 0,00339m3/s tương ứng với Re là 1514 và 7570. Mô phỏng CFD
cũng được thiết lập với các lưu lượng và độ nhớt tương ứng với thí nghiệm thực. Ở đây, mỗi
mô hình chảy rối được sử dụng lần lượt để chạy cho tất cả các giá trị lưu lượng dòng chảy và

độ nhớt.
Mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Ansys Fluent 15.0 với hai mức mật
độ lưới khác nhau để kiểm chứng mức độ ảnh hưởng của lưới đến kết quả mô phỏng. Mô hình
với số lượng phần tử lần lượt là 760.000, 1.160.300 và 1.520.000 phần tử được thử nghiệm.
Sự khác nhau về phân bố vận tốc tiếp tuyến của mô hình 1.160.300 và 1.520.000 phần tử là
không đáng kể. Do đó, mô hình với mật độ lưới tạo 1.160.300 phần tử được chọn để mô
phỏng cho các thông số vận tốc và độ nhớt khác nhau. Ứng xử động học của lớp gần thành vỏ
GLCC cũng được xem xét. Đối với số Re nhỏ thì sử dụng lựa chọn chọn tiêu chuẩn của lớp
sát thành GLCC và đối với Re lớn sử dụng lựa chọn ứng xử lớp sát tường với Re lớn cho ra
kết quả về trường vận tốc sai khác nhau không nhiều [6].
3.2. Kết quả mô phỏng
Việc lựa chọn mô hình chảy rối đã được trình bày ở phần trên dựa trên những phân tích
sơ bộ và quan sát từ thực nghiệm. Mô hình chảy rối được đánh giá là phù hợp khi nó phản ánh
các quan sát thực tế tốt nhất cho các giá trị vận tốc dòng chất lỏng dầu vào khác nhau. Dựa
trên kết quả đo từ thực nghiệm bằng LDV cho hai giá trị vận tốc tiếp tuyến và vận tốc dọc
trục sẽ được so sánh tương ứng cho từng mô hình chảy rối. Kết quả so sánh được trình bày
trên Hình 6 với các giá trị vận tốc được đo tại vị trí 89.9mm bên dưới cửa vào. Kết quả cho
thấy, mô hình RSM cho phân bố vận tốc tương đối phù hợp với kết quả đo từ thực nghiệm
(Hình 6). Phân bố vận tốc tiếp tuyến của mô hình rối RSM rất phù hợp với kết quả thí
nghiệm. Phân bố vận tốc dọc trục cho kết quả chưa được chính xác ở vùng tiếp giáp tường
cho dù sử dụng thuật toán phân tích tăng cường lớp tường GLCC. Do đó, mô hình chảy rối
RSM sẽ được áp dụng cho tất cả các mô phỏng với các giá trị vận tốc đầu vào khác nhau.
Phân bố vận tốc tiếp tuyến và dọc trục sẽ được so sánh với thực nghiệm tại vị trí khác nhau
theo độ cao của GLCC (Hình 9).

550


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV


a)

b)

Hình 6. So sánh giữa hai mô hình chảy rối RSM và RNG -; a) tiếp tuyến; b) dọc trục

a)

b)
Hình 7. So sánh vận tốc tiếp tuyến và dọc trục giữa thí nghiệm và mô phỏng tại các vị trí
Kết quả sử dụng mô hình chảy rối -, RNG -, LES được báo cáo có độ chính xác
không cao [5, 6, 8]. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này sử dụng mô hình RSM cho kết quả khá
chính xác giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng. Kết quả được lấy tại các vị trí khác
nhau tương ứng với với đo bằng LDV trong thí nghiệm thực tế. Kết quả thí nghiệm đo bằng
LDV tại vị trí 33,02 mm, 46,73 mm với lưu lượng dòng chảy vào là Q = 0,00063m3/s cho độ
nhớt 1cP như trình bày trong Hình 5. Phân bố vận tốc tiếp tuyến là không đối xứng nhau theo
mặt phẳng qua tâm của thân GLCC. Dạng hình phân bố của vận tốc tiếp tuyến cũng thay đổi
theo vị trí đo vận tốc và phụ thuộc rất lớn vào dạng hình học của đường vào và thông số dòng
chảy ban đầu. Ở trong vùng có cường độ xoáy lớn (h=33,02mm) thì mô hình RSM dự đoán
đặc tính động học khá chính xác (Hình 7). Tuy nhiên, càng xa vùng xoáy thì khả năng dự
đoán giảm đi rõ rệt. Tương tự cho thành phần vận tốc dọc trục, ở vị trí 33,02mm bên dưới cửa
vào, mô hình chảy rồi RSM cho kết quả dự đoán khá phù hợp với kết quả thí nghiệm.

a)

b)
Hình 8. a) Phân bố vận tốc hướng kính; b) Chuyển động của lõi khí
551



Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Đối với các nghiên cứu trước đây về GLCC và xi lô Stairman thường bỏ qua thành phần
vận tốc hướng kính. Nó thường được ước chừng theo những công thức thực nghiệm hoặc
không xét đến trong các phân tích động lực học dòng chảy [10]. Kết quả mô phỏng thực hiện
trong nghiên cứu này cho phân bố vận tốc tiếp tuyến và dọc trục khá phù hợp với kết quả thực
nghiệm. Cho nên, phân bố vận tốc hướng kính rút ra từ mô hình mô phỏng với mô hình chảy
rối RSM sẽ có độ chính xác cao. Phân bố của thành phần vận tốc hướng kính trình bày trong
Hình 8 được lấy từ mô hình rối RSM trong vùng đo đạc. Ta thấy giá trị vận tốc hướng kính là
đáng kể, không thể bỏ qua trong quá trình phân tích động lực học. Giá trị vận tốc đổi dấu hai
lần trong vùng đo. Thực chất, giá trị vận tốc hướng kính gây nên do sự không đồng trục của
tâm xoáy và khoảng cách giữa bước đảo dấu là bằng nhau (Hình 8a).

a)

b)

c)

Hình 9. Phân bố: a) vận tốc tiếp tuyến; b) Dọc trục; c) Quỹ đạo dòng chảy
Trong quá trình hoạt động của GLCC, lõi khí (tâm xoáy) được tạo ra trong lòng của
GLCC. Lõi khí này dễ dàng phát hiện bằng mắt thường. Độ dài của lõi khi này sẽ ảnh hưởng
đến khả năng tái nhập của khí vào dòng chất lỏng ở đáy của GLCC. Nếu để lõi khí quá dài thì
lượng khí hòa trộn vào chất lỏng sẽ thoát ra cửa thoát chất lỏng làm giảm rất nhiều hiệu suất
tách của GLCC. Quan sát trong mô hình mô phỏng ở các độ cao khác nhau ta thấy vị trí của
các tâm xoáy và độ lớn của tâm xoáy trong lòng GLCC (Hình 8b). Ở càng gần cửa vào, độ
lệch tâm của tâm xoáy nhỏ nhưng bán kính tâm xoáy lớn. Càng đi xa cửa vào về phía đáy
GLCC thì vị trí lệch tâm lớn và bán kính tâm xoáy giảm dần. Hình dạng của lõi khí có dạng
phễu và xoắn ốc theo chiều dài của GLCC.
KẾT LUẬN
Nghiên cứu này đã cho thấy mô hình chảy rối RSM cho kết quả khá chính xác trong

việc dự đoán các đặc trưng động lực học của GLCC. Thành phần vận tốc tiếp tuyến và vận tốc
dọc trục phù hợp với kết quả đo từ thực nghiệm. Phân bố vận tốc tiếp tuyến và vận tốc dọc
trục tại vùng gần cửa vào chính xác hơn so với các vùng khác. Càng xa cửa vào thì khả năng
dự đoán có sai số nhưng vẫn nằm trong khả năng cho phép. Nó cũng phù hợp với những kết
luận trước đây về khả năng dự đoán động lực học của mô hình chảy rối RSM. Mô hình này
phù hợp với dòng chảy có cường độ rối lớn và Re lớn. Nghiên cứu này cũng cho thấy thành
phần vận tốc hướng kính và phân bố của nó. Thành phần vận tốc này cần được xét đến trong
quá trình thành lập các phương trình mô tả động lực học dòng chảy của GLCC thay vì sử
dụng các công thức thực nghiệm áp dụng cho xi lô Stainman. Kết quả này có thể sử dụng để
nghiên cứu động học dòng chảy rối hoặc tối ưu hóa kích thước hình học của GLCC mà hầu
hết các tính toán lý thuyết chưa thực hiện được. Giải pháp sử dụng mô phỏng CFD là một
trong các cách khắc phục khó khăn trong việc mô hình hóa lý thuyết động học dòng chảy của
GLCC. Đây là một vấn đề hết sức phức tạp, cần nhiều nỗ lực hơn nữa để hoàn thiện tính năng
552


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
của GLCC trong các ứng dụng công nghiệp. Kết quả của nghiên cứu này có thể ứng dụng
trong mô phỏng dòng chảy của GLCC để xác định đặc tính động học và tối ưu hóa thiết kế
của GLCC trong các nghiên cứu trong tương lai.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự hỗ trợ chính từ Trường
Đại học Dầu khí Việt Nam qua đề tài mã số đề tài GV1508.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ovadia Shoham, Gene E.Kouba (1998), “State of the art of gas/liquid cylindricalcyclonecompact-separator technology”, SPE, Vol 2-5, 462-471.
[2] G. E. Kouba, O. Shoham (1996). “A review of gas-liquid cylindrical cyclone (glcc)
technology”. International Conference of Production Separation Systems, Aberdeen, UK.
[3] F Chang, V Dhir (1994). "Turbulent flow field in tangentially injected swirl flows in
tubes". International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol 15-5, 346–356.
[4] L.E. Gomez, R.S. Mohan, Ovadia Shoham, G.E. Kouba. “Enhanced Mechanistic Model

and Field-Application Design of Gas/Liquid Cylindrical Cyclone Separators”. SPE, Vol
2-5, 462-471.
[5] F. M. Erdal, S. A. Shirazi (2002). "Effect of inlet configuration on flow behavior in a
cylindrical cyclone separator". ASME 2002 Engineering Technology Conference on
Energy, USA, pp. 521-529.
[6] F. M. Erdal, S. A. Shirazi (1997). “CFD Simulation of Single-Phase and Two-Phase Flow
in Gas-Liquid Cylindrical Cyclone Separators”, SPE, Vol 2-04, 436 – 446.
[7] Marti, S.K. et al.: “Analysis of Gas Carry-Under in Gas-Liquid Cyclones,” Proc., Intl.
Conference on Hydrocyclones, Cambridge, U.K. 399.
[8] Arpandi, I. (1996). “Hydrodynamics of Two-Phase Flow in Gas/Liquid CylindricalCyclone Separators,” SPE, 427-433.
[9] Kouba, G.E., Shoham, O., and Shirazi, S.: “Design and performance of gas-liquid
cylindrical cyclone separators,” Proc., BHR Group Seventh Intl. Conference on
Multiphase Flow, Cannes, France, 307.
[10] A. Gupta, R. Kumar (207). “Three-dimensional turbulent swirling flow in a cylinder:
Experiments and computations”. Int. J. Heat and Fluid Flow, Vol 28, 249–261.

553